Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Zellwachstum reguliert genetische Schaltkreise

27.01.2010
Genetische Schaltkreise kontrollieren die Aktivität von Genen und damit die Funktion von Zellen und Organismen.

Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam und der University of California in San Diego zeigen, wie Wachstumseffekte die genetischen Schaltkreise in einer Bakterienzelle beeinflussen. Demnach können Gene auch ohne Regulierung unterschiedlich aktiv sein - je nachdem, ob sie in schnell oder langsam wachsenden Zellen in Proteine übersetzt werden. Mit diesen Ergebnissen können die Forscher besser verstehen, wie Zellen ihre Gene regulieren, und so künftig künstliche genetische Schaltkreise entwickeln. (Cell, 24. Dezember 2009)

Schaltkreise kommen nicht nur in CD-Playern, Kaffeemaschinen oder Autos vor, sondern auch in lebenden Zellen - in diesem Fall als "genetische Schaltkreise". Sie bestehen aus einem Netzwerk unterschiedlicher Gene, die sich gegenseitig stimulieren oder hemmen können. Mit Hilfe solcher Schaltkreise kann eine Zelle Gene an- oder abschalten und so kontrollieren, welche Proteine sie produziert. Genetische Schaltkreise hängen jedoch auch von der Zelle als Ganzes ab, die ausreichend Ressourcen für die Bildung von Proteinen zur Verfügung stellen muss. So kann das Standard-Laborbakterium Escherichia coli seine optimale Generationszeit von 20 Minuten auf bis zu einige Stunden ausdehnen, wenn die Nahrung knapp ist. Dies verändert nahezu alle Eigenschaften der Bakterienzellen, wie Größe oder chemische Zusammensetzung.

Proteinkonzentration unregulierter Gene sinkt bei schnellerem Wachstum

Die Wissenschaftler demonstrieren mit einem Theoriemodell sowie einfachen synthetischen genetischen Schaltkreisen in Bakterien, dass die Wachstumsgeschwindigkeit die Aktivität von Genen und damit die genetischen Schaltkreise entscheidend beeinflusst. "Wir haben uns gefragt, wie die Aktivität eines hypothetischen Gens, das überhaupt nicht reguliert wird, vom Wachstum eines Bakteriums abhängt. Dieser Zusammenhang muss nämlich berücksichtigt werden, wenn man in Experimenten eine Änderung der Genexpression feststellt", sagt Stefan Klumpp, Nachwuchsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung.

Veränderungen innerhalb der Zelle wirken sich auf mehrere Arten auf die Konzentration an Proteinen aus. So sind in schneller wachsenden Zellen mehr RNA-Polymerasen für die Transkription von Genen vorhanden. Auf diese Weise kann das Gen häufiger ausgelesen werden. Gleichzeitig steht aber weniger Zeit zur Verfügung, um das Protein vor der nächsten Zellteilung anzureichern. Zudem sind schneller wachsende Zellen größer, was bei gleicher Anzahl von Proteinmolekülen eine geringere Konzentration zur Folge hat. Die Wissenschaftler integrierten alle Informationen in ihr theoretisches Modell und konnten so vorhersagen, wie die Wachstumsgeschwindigkeit der Bakterien die Proteinkonzentration beeinflusst. Demnach sinkt die Proteinkonzentration mit steigender Wachstumsrate - ein Ergebnis, das gut mit experimentellen Daten zu unregulierten Genen übereinstimmt.

Dass die Aktivität von Genen und genetischen Schaltkreise davon abhängt, wie schnell die Zellen wachsen, erschwert das Vermessen genetischer Schaltkreise erheblich. Denn die verschiedenen Messgrößen, die für die Charakterisierung der Aktivität von Genen benutzt werden, wie z.B. mRNA- und Proteinkonzentrationen, hängen auf unterschiedliche Weise von der Wachstumsrate ab. "Erhöht sich die Konzentration einer bestimmten Boten-RNA (mRNA) um einen Faktor drei im Vergleich zu einer anderen Messung, geht man normalerweise davon aus, dass die Genexpression hochreguliert wurde" erklärt Stefan Klumpp. "Wenn aber die Zellen mit dem höheren mRNA-Level auch schneller wachsen, könnte sich trotzdem die entsprechende Proteinkonzentration verringert haben." Veränderte Proteinkonzentrationen sind darüber hinaus nicht zwangsläufig eine Folge von regulierter Genexpression. Solche Schwankungen können auch auf verlangsamtes oder beschleunigtes Zellwachstum zurückgehen.

Feedback zwischen regulierten Genen und Zellwachstum

Die Untersuchungen zeigen zudem, wie diese Wachstumseffekte mit der Genregulierung zusammenwirken. Zum Beispiel wird die Proteinkonzentration unabhängig vom Größenwachstum, wenn ein Gen durch negative Rückkopplung kontrolliert wird: In diesem Fall wird die Proteinsynthese gestoppt, wenn eine bestimmte Zielkonzentration erreicht wird. Wächst die Zelle weiter, sinkt die Proteinkonzentration zunächst, so dass weiteres Protein bis zur Zielkonzentration gebildet wird. Das Wachstum von Zellen kann aber auch selbst zu Rückkopplungen führen: Dann nämlich, wenn das Zellwachstum von der Konzentration eines bestimmten Proteins abhängt, die wiederum an das Zellwachstum gekoppelt ist. Wirkt beispielsweise die Proteinkonzentration hemmend auf die Wachstumsrate und stellen langsamer wachsende Zellen gleichzeitig mehr von diesem Protein her (positives Feedback), kann ein Teil einer Population genetisch identischer Zellen schneller wachsen als der Rest. Dies beruht allein darauf, dass ein Zellwachstum hemmendes Protein in manchen Zellen etwas häufiger gebildet wird. Dadurch wachsen diese Zellen langsamer, was wiederum die Konzentration des Proteins steigen lässt und das Wachstum weiter verlangsamt.

Die Forscher nehmen an, dass diese Wachstumseffekte in der Natur aktiv genutzt werden, denn für Bakterien sind sie möglicherweise sogar hilfreich. Wenn sie neue Fähigkeiten erwerben, wie z.B. neue Stoffwechselfunktionen oder Toleranz gegenüber Antibiotika, können die neuen Eigenschaften auch ohne direkte Genregulierung allein durch die Wachstumseffekte reguliert werden. Daraus könnte sich dann ein regulativer Schaltkreis entwickeln.

Ansprechpartner:
Dr. Stefan Klumpp
Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, Potsdam
Tel: +49 331 567 9620
Fax: +49 331 567 9612
E-Mail: klumpp@mpikg.mpg.de
Katja Schulze, Presse + Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung
Fon: +49 (331) 567 - 9203
Fax: +49 (331) 567 - 9202
katja.schulze@mpikg.mpg.de

Dr. Harald Rösch | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpikg.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination
17.10.2019 | Universität Ulm

nachricht „Rauchmelder“ in Pflanzen steuert auch das Wachstum von Wurzelhaaren: Wie den Wurzeln Haare wachsen
17.10.2019 | Technische Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt - obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses "Wüstenflitzers" auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.

Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der...

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Im Focus: Solving the mystery of quantum light in thin layers

A very special kind of light is emitted by tungsten diselenide layers. The reason for this has been unclear. Now an explanation has been found at TU Wien (Vienna)

It is an exotic phenomenon that nobody was able to explain for years: when energy is supplied to a thin layer of the material tungsten diselenide, it begins to...

Im Focus: Rätsel gelöst: Das Quantenleuchten dünner Schichten

Eine ganz spezielle Art von Licht wird von Wolfram-Diselenid-Schichten ausgesandt. Warum das so ist, war bisher unklar. An der TU Wien wurde nun eine Erklärung gefunden.

Es ist ein merkwürdiges Phänomen, das jahrelang niemand erklären konnte: Wenn man einer dünnen Schicht des Materials Wolfram-Diselenid Energie zuführt, dann...

Im Focus: Wie sich Reibung bei topologischen Isolatoren kontrollieren lässt

Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien, die elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Innern aber wie Isolatoren verhalten. Wie sie auf Reibung reagieren, haben Physiker der Universität Basel und der Technischen Universität Istanbul nun erstmals untersucht. Ihr Experiment zeigt, dass die durch Reibung erzeugt Wärme deutlich geringer ausfällt als in herkömmlichen Materialien. Dafür verantwortlich ist ein neuartiger Quantenmechanismus, berichten die Forscher in der Fachzeitschrift «Nature Materials».

Dank ihren einzigartigen elektrischen Eigenschaften versprechen topologische Isolatoren zahlreiche Neuerungen in der Elektronik- und Computerindustrie, aber...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Verletzungen des Sprunggelenks immer ärztlich abklären lassen

16.10.2019 | Veranstaltungen

Digitalisierung trifft Energiewende

15.10.2019 | Veranstaltungen

Bauingenieure im Dialog 2019: Vorträge stellen spannende Projekte aus dem Spezialtiefbau vor

15.10.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

17.10.2019 | Biowissenschaften Chemie

Was unter dem Yellowstone-Vulkan passiert

17.10.2019 | Geowissenschaften

Für höhere Reichweiten von E-Mobilen: Potentiale von Leichtbauwerkstoffen besser ausschöpfen

17.10.2019 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics